ó harry dolstra
De naam van de natural killercel verklapt het eigenlijk al: geboren om te doden. Deze waakzame killercellen zijn speciale witte bloedcellen die een belangrijke schakel vor- men in de afweer tegen bacteriën, virussen en ook tumorcellen. Killercellen hechten zich vast aan een tumorcel, perforeren het membraan en injecteren enzymen die de tumorcel aanzetten tot geprogrammeerde celdood. Daarom zou het toedienen van extra killercellen aan patiënten met kanker een aanvullende therapie kunnen zijn. Het verkrijgen van natural killer(NK)-cellen gebeurt door ze uit bloed te zuiveren of door ze te kweken in een bioreactor. Het is inmiddels gelukt om NK-cellen te kweken vanuit bloedvormende stamcel- len afkomstig uit verschillende stamcel- bronnen zoals beenmerg en navelstreng- bloed. Met een speciaal ontwikkelde kweekmethode is aangetoond dat grote hoeveelheden actieve NK-cellen kunnen worden gekweekt uit voorgekweekte of geëxpandeerde bloedstamcellen. De gekweekte NK-cellen
vertonen een sterk dodend effect tegen leukemiecellen en andere typen kankercellen. Met deze kweekme- thode is het mogelijk de benodigde hoeveel- heden antitumor NK-cellen te produceren onder de vereiste wettelijke condities.
Hulpcellen bij tumorbestrijding
Het toedienen van deze gekweekte ‘nieuwe’ NK-cellen zou theoretisch kunnen bijdra- gen aan het opruimen van tumorcellen. Preklinisch onderzoek in muizen lijkt deze hypothese inderdaad te staven. Om deze NK-celtherapie naar de patiënt te brengen, is in een eerste klinische fase-I-studie de veilig- heid aangetoond in oudere patiënten met een vorm van bloedkanker (acute myeloïde leukemie) die in remissie is gekomen na stan- daard chemotherapie,
maar met een hoge kans op terugkeer van de ziekte. Voordat de
NK-cellen werden toegediend, kregen de patiënten een korte chemokuur met afweeronderdrukkende medicijnen. Dit om te voorkomen dat het immuunsysteem van de patiënt de ‘vreemde’ NK-cellen direct zou uitschakelen. Na toediening blijven de NK-cellen één tot anderhalve week in het bloed circuleren en komen ze ook in het beenmerg terecht waar de leukemiecellen zich bevinden.
Vervolgonderzoek moet uitwijzen hoe deze NK-celtherapie verder kan worden verbe- terd, bijvoorbeeld door het verblijf en groei
in vivo te verhogen met NK-celgroeifac- toren. Verder is het interessant om te kijken of de gekweekte NK-cellen ook
geschikt zijn voor andere tumortypes, of dat een combinatie met anti- tumormedicijnen de werking verbe-
tert, en of het ter plekke toedienen van NK-cellen in de buikholte
ervoor zorgt dat ze de tumoren aldaar direct aanvallen.
Immunotherapie met gekweekte NK-cellen heeft zeker potentie een belangrijke rol te gaan spelen in nieuwe combinatietherapieën tegen kanker, maar meer onderzoek en schaalvergroting van de productie uit verschillende stamcelbronnen is nodig om deze therapie door te ontwikkelen.
Een elektronenmicroscopiefoto van natural killercellen (blauw ingekleurd) die een leukemiecel (rood) aanvallen.
kwartaal 2 2016 stamcellen 35
behandeling met miniweefseltjes. De patiënt heeft nieuw bot nodig in de grootte orde van enige centi meters. Het kweken van dit soort grote stukken weefsels uit MSCs in het laboratorium is nog steeds een uitdaging. Het in leven houden van grote weefselconstructen stelt hoge eisen aan massa transport van nutriënten, zuurstof en afvalstoffen. In de natuur is dit opgelost doordat in normaal weefsel elke cel op minder dan 200 µm van een bloedvat verwijderd ligt. In het labora- torium is nog niet goed mogelijk om een stukje geproduceerd bot te voorzien van zenuwcellen of een functioneel bloedvatstelsel. Dit vraagt om nieuwe benaderingen.
Bioprinting van organen lijkt een veelbelovende oplossing. In deze benadering wordt met een 3D- printer de hiërarchie van de weefselstructuur zo goed als mogelijk nagebouwd door verschil- lende celtypen (MSCs, endotheelcellen, zenuw- cellen, primaire weefselcellen) te combineren met printbare biomaterialen.
Sinds de ontdekking door Friendenstein blijft de veelzijdigheid van de MSC-onderzoekers over de hele wereld verbazen. In de regeneratie van beschadigd of verloren gegaan bot- en kraakbeen- weefsel is de MSC niet meer weg te denken.
3D-bioprinten
ó iris otto en jos malda
D
e afgelopen jaren zijn er grote stappen gemaakt in de biomedische wetenschap- pen op het gebied van regeneratieve geneeskunde en tissue-engineering. Dit is een relatief nieuw veld binnen de (bio)medische wereld waarin wordt getracht nieuw weefsel te regenereren door het lichaam een handje te helpen door middel van het toedienen of stimuleren van cellen. Het doel hierbij is om het originele weefsel te herstellen qua vorm en functie. Dit is een uitda- gende taak omdat weefsels op microschaal over het algemeen een complexe architectuur hebben die lastig met de hand na te bootsen is.Met de opkomst van het driedimensionale (3D-)printen biedt zich een uiterst opwindende mogelijkheid aan. Met deze techniek kunnen verschillende materialen laag-voor-laag zeer nauw- keurig op specifieke locaties neergelegd worden, waardoor complexe vormen met gedetailleerde organisaties gemaakt kunnen worden. Er wordt al gebruikgemaakt van 3D-printen in bijvoorbeeld de voedsel- en mode-industrie, en ook binnen de geneeskunde wordt deze techniek in toenemende mate toegepast. Enkele voorbeelden zijn op maat
thermoplastisch polymeer
thermoplastisch polymeer
hydrogel met cellen
hydrogel met cellen eindresultaat
De 3D-bioprinter beschikt over meerdere cartridges waarmee verschillende materialen, zoals een thermoplastisch polymeer en hydrogels met cellen, geprint kunnen worden. Deze materialen worden laag-voor-laag neergelegd in een vooraf bepaald patroon.
kwartaal 2 2016 stamcellen
36
geprinte zaagmallen voor orthopedische chirurgie, plastic schedelimplantaten of fixatiemallen.
Het 3D-printen draagt in hoge mate bij aan het zogenaamde personalized medicine-concept, waarbij medische beslissingen, behandelingen en produc- ten specifiek op de individuele patiënt worden afgestemd. Gebruikmakend van bijvoorbeeld een MRI- of CT-scan kan een patiëntspecifiek 3D-model geconstrueerd worden, dat kan worden vertaald naar een speciale printertaal. Dit is een code waarin exact vermeld wordt welk materiaal op welke positie binnen het construct geplaatst moet worden. De printer zal vervolgens het construct laag voor laag opbouwen. De betrouwbaarheid van de plaatsing van materialen met 3D-printen is hoog en daardoor kunnen hoogwaardige patiënt- specifieke constructen gefabriceerd worden.
Printen met levende cellen
Bioprinten gaat nog een stapje verder. Het is gebaseerd op hetzelfde principe van laagsgewijs opbouwen van een construct waarbij verschillende materialen in precieze geometrieën geplaatst kun-
nen worden, maar heeft daarbij als extra uitdaging dat het gebruikmaakt van biologische materialen. Zoals in tissue-engineering gebruikelijk is, com- bineert ook het bioprinten levende cellen met biologisch afbreekbare materialen en bioactieve signalen. Deze combinatie zorgt voor een stimu- lerende en sterke omgeving voor de cellen om zich te ontwikkelen tot een volwaardig weefsel. Het 3D-bioprinten van deze gecombineerde (bio) materialen heeft als voordeel dat het de interne vormgeving van zo’n hybride construct volledig kan bepalen.
Net zoals bij tweedimensionaal (2D) printen op papier is voor 3D-printen een inkt vereist. Hoewel veel (synthetische) materialen in een stroperige vorm door de printer gedeponeerd kunnen wor- den, kunnen levende cellen niet zomaar in een cartridge worden gestopt en vervolgens geprint. Cellen moeten daarom worden ingebed in een dragermateriaal om zo een bioinkt te vormen. Het dragermateriaal moet voor voldoende visco- siteit zorgen zodat de bioinkt printbaar is, maar moet tevens waterig genoeg zijn om een leefbare
Een voorbeeld van een 3D-geprint hybride construct met twee verschillende hydrogels en een polymeer: het distale femur (dijbeen) met een benig (wit/bruin) en een kraakbenig (groen) gedeelte. Op de doorsnede is goed te zien hoe de verschillende materialen in een rooster zijn geprint.
kwartaal 2 2016 stamcellen 37
Wat is er beter dan eigen navelstrengbloed?
ó bas defize
Beenmerg is een van de rijkste bronnen van volwassen stamcellen. Daarin bevinden zich naast de bloedvormende stamcellen ook stamcellen die kunnen uitgroeien tot onder andere kraakbeen-, bot-, skeletspier- en peescellen. Vlak na de geboorte bevindt een groot deel van die beenmergstamcel- len zich ook in de placenta, in het bloed in de navelstreng, en in het weefsel van de navelstreng zelf.
Die kennis is door ‘stamcelcowboys’ gecom- bineerd met allerlei nonsens-claims dat beenmergstamcellen zo ongeveer de bron van de eeuwige jeugd vormen en kunnen worden ingespoten ter herstel van alles wat in het lichaam kapot kan gaan (van hartinfarcten tot dwarslaesies, ALS, Par- kinson en impotentie aan toe). Dat heeft
ervoor gezorgd dat er een aantal private cen- tra zijn ontstaan waar men tegen betaling van een aanzienlijk bedrag stamcellen uit de navelstreng van de pasgeborene kan opslaan voor ‘eigen gebruik’. Er zijn al niet-commer- ciële weefselbanken voor dat doel, waar een groot aantal weefselgetypeerde stamcellen zijn opgeslagen, maar wat is er beter dan je eigen stamcellen? De aanbiedingen van die private centra hebben zelfs een korte tijd deel uitgemaakt van de ‘blije doos’ die zwangere vrouwen aangeboden kregen in verloskun- dige praktijken. Gelukkig is dat gestopt. Maar waarom zo cynisch? Als die stamcellen dan niet in staat zijn tot het genezen van allerlei aandoeningen, dan vormen ze toch een prachtige reservebron voor het kind zelf? Ook dat is maar de vraag. Afgezien van het
feit dat de kans dat het kind de cellen ooit nodig heeft erg klein is, zijn er de volgende overwegingen:
· Als het kind een genetische afwijking heeft die een beenmergtransplantatie nodig maakt, dan zit die genetische afwij- king ook in de eigen stamcellen.
· Vaak bevat de navelstreng niet genoeg cellen voor een transplantatie.
· In de praktijk blijkt een transplantatie met ‘vreemd’ (allogeen) beenmerg vaak tot betere resultaten te leiden dan met eigen (autoloog) beenmerg, omdat allogeen beenmerg vaak de nog achtergebleven leukemische cellen vernietigt.
· Het is essentieel dat de cellen op een steriele manier worden geprepareerd en opgeslagen. Geen enkel ziekenhuis zal stamcellen accepteren voor transplantatie als die afkomstig zijn uit een onderneming die niet GLP (Good Laboratory Practice) is gecertificeerd.
Dit alles neemt niet weg dat het wél een goed idee is om navelstreng-stamcellen op te slaan in officiële, niet private stam- celbanken, om zodoende een rijke ‘biblio- theek’ van weefsel-getypeerde stamcellen op te bouwen, waar patiënten die ze echt nodig hebben uit kunnen putten.
Navelstreng met navelklem, vlak na de geboorte.
kwartaal 2 2016 stamcellen
38
omgeving te bieden voor de cellen. Er wordt veel onderzoek gedaan naar de ideale bioinkt, die door- gaans gebaseerd is op een hydrogel: een polymeer dat veel water kan vasthouden. Er is namelijk een groot verschil tussen de ideale inkt als omgeving voor cellen en de ideale inkt om te printen. Ver- volgens moet het geprinte construct zijn vorm behouden en niet wegvloeien. Het compromis tussen deze twee uitersten wordt het biofabrication
window genoemd, maar ontneemt dus eigenschap-
pen van zowel de ideale celomgeving als de ideale printbaarheid. De ideale hydrogel voor 3D-bioprin- ten heeft zowel de biologische eigenschappen om cellen te ondersteunen en stimuleren, als ook de mechanische eigenschappen om het geprinte con- struct zijn vorm te laten behouden.
Tot nu toe is het mogelijk om met tissue-enginee- ring kleine stukjes weefsel te genereren. Bioprin- ten draagt bij aan het kunnen maken van grotere, ingewikkeldere constructen, maar wordt beperkt door de hoeveelheid cellen die beschikbaar zijn. Om een stukje nieuw weefsel te maken zijn grote aantallen patiënteigen weefselspecifieke cellen nodig. Daaraan bestaat vaak een tekort omdat deze geoogst moeten worden uit gezond weefsel. Gezien de potentie van stamcellen om zich te ont- wikkelen tot verschillende weefsels en de relatief makkelijkere oogstbaarheid, lijken stamcellen een veelbelovend alternatief.
Ondanks dat er nog een aantal belangrijke uit- dagingen zijn binnen bioprinten voor tissue-engi- neering, waaronder vormbehoud en de celbron, staat het buiten kijf dat het veld veelbelovend is voor de toekomst van de moderne geneeskunde. Het kunnen regenereren van nieuwe stukjes weef- sel, specifiek gemaakt van en voor de individuele patiënt, biedt mogelijkheden voor hoogwaardige, innovatieve en persoonlijkere behandelingen in de zorg.